新型復(fù)合粘彈阻尼器不同加載波下的性能研究

周娜敏 潘文 王道航 黃兆明

(1.昆明理工大學(xué)建筑工程學(xué)院 昆明 650500； 2.云南省抗震工程技術(shù)研究中心 昆明 650500；3.云南震安減震科技股份有限公司 昆明 650041)

0 引言

粘彈阻尼器主要利用粘彈性材料通過(guò)滯回耗能減小地震影響[1]，目前粘彈性阻尼器逐漸成為減震體系的主流，眾多學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了力學(xué)性能分析。YAMAMOTO M等[2]、TUBALDI E[3]在不同溫度、頻率和應(yīng)變幅值下對(duì)多個(gè)粘彈性阻尼器進(jìn)行了特性試驗(yàn)。周云等[4]對(duì)新型高阻尼粘彈阻尼器進(jìn)行了性能試驗(yàn)研究，研究表明其阻尼器性能良好。

新型復(fù)合粘彈阻尼器是指在傳統(tǒng)粘彈阻尼器的橡膠中加入芳綸網(wǎng)，通過(guò)橡膠和芳綸網(wǎng)相互疊加而成。以往對(duì)粘彈阻尼器的性能研究都是在正弦波加載下進(jìn)行分析的，沒(méi)有在三角波加載下的力學(xué)性能分析，故本文針對(duì)新型復(fù)合粘彈阻尼器分別施加正弦波與三角波進(jìn)行抗疲勞與變幅相關(guān)性試驗(yàn)，研究新型復(fù)合粘彈阻尼器在2種加載波下的性能差異。

1 試驗(yàn)材料特性

1.1 橡膠

試驗(yàn)所用的合成橡膠是將天然橡膠和順丁橡膠按一定比例配比，經(jīng)塑煉—混煉—壓延—模壓—硫化等工序制成。經(jīng)拉伸測(cè)試后測(cè)得其硫化膠物理性能參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 硫化膠物理性能

1.2 芳綸纖維網(wǎng)

試驗(yàn)所用的芳綸纖維網(wǎng)具有強(qiáng)度高、抗切割和抗腐蝕性高、密度小、易加工成型等特點(diǎn)，對(duì)芳綸纖維網(wǎng)進(jìn)行3個(gè)方向拉伸性能測(cè)試，測(cè)試的拉伸力學(xué)性能如表2所示。

表2 芳綸纖維網(wǎng)的拉伸力學(xué)性能

芳綸纖維網(wǎng)試驗(yàn)所采用芳綸網(wǎng)的網(wǎng)孔為菱形，短對(duì)角邊長(zhǎng)4 mm，長(zhǎng)對(duì)角邊長(zhǎng)5 mm，孔隙率70.4%，芳綸纖維直徑為1 mm。彈性材料硫化于兩塊鋼板之間而制成剪切型粘彈阻尼器，試件采用Q235鋼板，鋼板寬25 mm，長(zhǎng)90 mm，中間復(fù)合材料平面尺寸為25 mm×25 mm，厚為6 mm，復(fù)合材料的硫化采用平板硫化機(jī)，硫化溫度為150 ℃，每模硫化時(shí)間為30 min，壓力為151 MPa，最后將制成的試件靜置于恒溫房中24 h。

2 試驗(yàn)概況

在合成橡膠中加入8層芳綸纖維網(wǎng)，相互疊加，經(jīng)過(guò)硫化處理制成新型復(fù)合粘彈性阻尼器，如圖1所示。

圖1 新型阻尼器試樣

試驗(yàn)采用擬動(dòng)力、阻尼器性能試驗(yàn)系統(tǒng)，該裝置最大加載力為1 500 kN，最大行程為500 mm，最大加載速度為1 m/s，工作頻率為0～40 Hz。

因試驗(yàn)所用試樣較小，故采取外接力傳感器和位移傳感器的方法對(duì)新型復(fù)合粘彈阻尼器進(jìn)行性能測(cè)試，試件與力傳感器相連后再與儀器連接，并在其上方設(shè)置位移傳感器。對(duì)其進(jìn)行抗疲勞試驗(yàn)與變幅相關(guān)性試驗(yàn)，對(duì)新型復(fù)合粘彈性阻尼器試樣的加載均采用正弦波與三角波2種方式，進(jìn)行抗疲勞試驗(yàn)時(shí)保持頻率、應(yīng)變變形和加載圈數(shù)不變，只改變每種試樣的加載方式；變幅相關(guān)性試驗(yàn)時(shí)保持頻率、加載圈數(shù)不變，分析應(yīng)變和加載方式不同時(shí)其力學(xué)性能的變化。分別測(cè)力與位移的關(guān)系和各項(xiàng)力學(xué)性能指標(biāo)，每次均做3個(gè)試樣測(cè)試，對(duì)結(jié)果求平均值[5]，以此來(lái)探究在三角波和正弦波的加載方式下對(duì)新型復(fù)合粘彈阻尼器的疲勞性能及變幅相關(guān)性能的影響程度。試驗(yàn)方案詳見(jiàn)表3。

表3 試驗(yàn)方案

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

對(duì)此新型復(fù)合粘彈阻尼器分別進(jìn)行上述試驗(yàn)項(xiàng)目，試驗(yàn)的過(guò)程與分析結(jié)果如下。

3.1 不同加載下抗疲勞相關(guān)性試驗(yàn)

在不同加載下對(duì)新型復(fù)合粘彈阻尼器進(jìn)行抗疲勞相關(guān)性試驗(yàn)，抗疲勞性能的所有試樣均保持同一頻率0.1 Hz，每種試樣的應(yīng)變幅值均保持為200%，通過(guò)試驗(yàn)可得出新型復(fù)合粘彈性阻尼器下的滯回曲線和各項(xiàng)力學(xué)性能指標(biāo)。其中各項(xiàng)力學(xué)性能指標(biāo)的計(jì)算公式如下：

(1)

(2)

(3)

(4)

式中，u0為試件加載的最大幅值， mm；t為試件內(nèi)粘彈性材料的厚度， mm；P為作用在試件上的最大荷載，N；A為試件內(nèi)粘彈性材料剪切面的面積，mm2；τ'為試件加載的最大幅值所對(duì)應(yīng)的荷載大小與試件內(nèi)粘彈性材料剪切面面積的比值，N/mm2；△ω為試件滯回曲線加載卸載一圈包圍的面積，mm2；ω為試件加載的最大幅值所對(duì)應(yīng)的荷載大小與試件加載的最大幅值乘積的一半，N·mm。

抗疲勞試驗(yàn)中正弦波加載與三角波加載下的滯回曲線如圖2所示。

(a)正弦波加載下的滯回曲線

由圖2可得到，不同加載方式下的試件經(jīng)過(guò)30圈的反復(fù)加載之后，試件的滯回曲線有明顯的上翹趨勢(shì)，隨著加載圈數(shù)的增加，滯回曲線的耗能能力有所衰減，但滯回曲線始終保持飽滿，其力學(xué)性能也比較穩(wěn)定。不同加載方式下滯回曲線有較大差別，兩種加載方式下的滯回曲線均出現(xiàn)反S型，這是由于新型復(fù)合粘彈阻尼器橡膠與芳綸網(wǎng)的粘接滑移導(dǎo)致的[6]，三角波加載下較正弦波加載下有更加明顯的反S型，說(shuō)明三角波加載下橡膠與芳綸網(wǎng)的粘接滑移更大。2種加載下試件的滯回曲線斜率不同，當(dāng)荷載增加時(shí)兩者的滯回曲線斜率都增加，正弦波加載下試件的滯回曲線斜率增大的幅度更大，其剛度大于三角波加載。同時(shí)，比較新型復(fù)合粘彈阻尼器不同圈次的滯回曲線[7]發(fā)現(xiàn)，滯回曲線均是后次圈數(shù)的斜率小于前次圈數(shù)的斜率，證明在不同加載方式下，試件的剛度都在退化，正弦波加載下的試件剛度退化小于三角波加載。

不同加載方式下粘彈阻尼器的力學(xué)性能指標(biāo)如圖3所示。

(a)最大剪應(yīng)力 (b)存儲(chǔ)剪切模量 (c)等效阻尼比圖3 不同加載方式下粘彈阻尼器的力學(xué)性能指標(biāo)

由圖3(a)可得，在不同加載方式的抗疲勞試驗(yàn)中，試件在正弦波加載下的最大剪應(yīng)力均遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于三角波加載，此趨勢(shì)表明正弦波加載下的試件較三角波加載下能承受更大的阻尼力，耗能能力也優(yōu)于三角波加載。不同加載方式下試件的最大剪應(yīng)力隨著加載圈數(shù)的增加而迅速降低，反復(fù)加載30圈后，正弦波加載的最大剪應(yīng)力仍遠(yuǎn)大于三角波加載。由圖3(b)可看出，存儲(chǔ)剪切模量隨加載圈數(shù)變化的規(guī)律與新型復(fù)合粘彈性阻尼器最大剪應(yīng)力隨加載圈數(shù)變化的規(guī)律一致，兩者曲線規(guī)律和走勢(shì)都一致。由圖3(c)可得不同加載方式下的試件等效阻尼比變化不大，正弦波下的等效阻尼比較高，耗能效果較好。

綜上所述，2種加載波相比之下，正弦波加載下的新型復(fù)合粘彈阻尼器耗能能力較好，性能較優(yōu)。

3.2 不同加載下變幅相關(guān)性試驗(yàn)

本文試驗(yàn)的粘彈性阻尼器是混合非線性粘彈性阻尼器[8]，即在試驗(yàn)過(guò)程中同時(shí)存在材料的軟化和硬化現(xiàn)象，材料的軟化是由馬林斯效應(yīng)引起的[8]，而材料的硬化是由捏縮現(xiàn)象引起的[9]。

對(duì)正弦波與三角波加載下的新型阻尼器進(jìn)行變幅相關(guān)性試驗(yàn)，變幅相關(guān)性試驗(yàn)的應(yīng)變幅值依次為50%、100%、150%、200%、250%、300%，每個(gè)應(yīng)變幅值均加載8圈，荷載加載的大小以達(dá)到試驗(yàn)所需應(yīng)變幅值大小為標(biāo)準(zhǔn)。每個(gè)應(yīng)變幅值加載圈數(shù)完成后均需放置15 min，避免因粘彈性材料反復(fù)加載和卸載產(chǎn)生的生化熱影響后面幅值試驗(yàn)的結(jié)果。每種試樣均做3個(gè)試件測(cè)試，結(jié)果取3個(gè)試件第3圈的平均值。通過(guò)試驗(yàn)可得出在應(yīng)變幅值不同時(shí)2種加載方式下新型復(fù)合粘彈性阻尼器的滯回曲線，如圖4所示。

(a)正弦波加載下的滯回曲線

由圖4可得：加載方式和應(yīng)變幅值不同的試驗(yàn)條件下試件的滯回曲線也不相同，但都穩(wěn)定且變化規(guī)律相同。從圖4(a)可得：正弦波加載下的試件在不同應(yīng)變幅值下的滯回曲線貼合較為緊密。從圖4(b)可得：三角波加載下的滯回曲線均呈發(fā)散狀，并有明顯的上翹趨勢(shì)。綜上所述，2種加載方式下的滯回曲線均表現(xiàn)出突出的捏縮效應(yīng)，隨著應(yīng)變幅值的增大，捏縮效應(yīng)更為顯著，這表明隨著應(yīng)變幅值的增大，材料的硬化現(xiàn)象越來(lái)越明顯。三角波加載下的捏縮現(xiàn)象更為明顯并伴隨著逐漸增大的上翹趨勢(shì)，這表明三角波加載下試件的材料硬化現(xiàn)象比正弦波加載下的提前了。

隨著荷載的反復(fù)加載和卸載，新型復(fù)合粘彈性阻尼器前一次滯回曲線的陡峭程度均大于后一次滯回曲線的陡峭程度，即后續(xù)的加載剛度小于初次的加載剛度，這是新型復(fù)合粘彈性材料發(fā)生軟化引起的，材料的軟化現(xiàn)象主要表現(xiàn)為：隨著應(yīng)變幅值的增大，試件的力學(xué)性能反而減小，這可從不同加載方式下新型復(fù)合粘彈性阻尼器力學(xué)性能指標(biāo)的變幅相關(guān)性規(guī)律圖中看出。其中等效剛度計(jì)算公式如下所示[10]：

(5)

式中，Q1為試驗(yàn)加載過(guò)程中的最大正向剪力， N；Q2為試驗(yàn)加載過(guò)程中的最大負(fù)向剪力，N；X1為試驗(yàn)加載過(guò)程中的最大位移， mm；X2為試驗(yàn)加載過(guò)程中的最小位移，mm。

不同加載下粘彈性阻尼器力學(xué)性能指標(biāo)的變幅相關(guān)性規(guī)律見(jiàn)圖5。

由圖5可得：除最大剪應(yīng)力外，新型復(fù)合粘彈性阻尼器的其他幾項(xiàng)力學(xué)性能指標(biāo)均隨著應(yīng)變幅值的增大而降低。從圖5(a)看出剪應(yīng)力的最大值是隨著粘彈性阻尼器應(yīng)變幅值的增大而增大，三角波加載下新型復(fù)合粘彈性阻尼器不同應(yīng)變下最大剪應(yīng)力均遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于正弦波加載，說(shuō)明三角波加載下的新型復(fù)合粘彈性阻尼器很大程度地增大了粘彈性阻尼器所能承受的阻尼力，有效地提高了新型復(fù)合粘彈性阻尼器的剪應(yīng)力。從新型復(fù)合粘彈性阻尼器不同應(yīng)變幅值的最大剪應(yīng)力圖中還可以得到，三角波加載下的新型復(fù)合粘彈性阻尼器在應(yīng)變幅值達(dá)到300%時(shí)，最大剪應(yīng)力略有下降，而正弦波加載下的新型復(fù)合粘彈性阻尼器剪應(yīng)力的最大值卻一直增大，由此可知，為了充分、安全地使用新型復(fù)合粘彈性阻尼器需要選擇合適的加載方式。由圖5(b)和圖5(d)看出， 當(dāng)應(yīng)變幅值在50%～100%時(shí)新型復(fù)合粘彈阻尼器的儲(chǔ)存剪切模量和等效剛度在2種加載方式下都急劇減小，但當(dāng)應(yīng)變幅值較大時(shí)，正弦波加載下的儲(chǔ)存剪切模量和等效剛度的減小程度大于其在三角波加載下。由圖5(c)可得2種加載方式下新型復(fù)合粘彈性阻尼器等效阻尼比都表現(xiàn)為小幅度的衰減。

綜上所述，三角波加載下新型復(fù)合粘彈阻尼器的最大剪應(yīng)力、存儲(chǔ)剪切模量、等效剛度均優(yōu)于正弦波加載，其等效阻尼比小于正弦波加載。三角波加載下的力學(xué)性能衰減率大于正弦波加載。

(a)最大剪應(yīng)力

4 結(jié)論

將三角波加載下的新型復(fù)合粘彈阻尼器與正弦波加載下的新型復(fù)合粘彈阻尼器作試驗(yàn)比較，所得結(jié)論如下：

(1)不同加載方式下的新型復(fù)合粘彈性阻尼器在抗疲勞試驗(yàn)中，三角波加載下加劇了新型復(fù)合粘彈阻尼器的滑移影響，呈現(xiàn)出更加明顯的反S型。正弦波加載下的新型復(fù)合粘彈阻尼器較三角波加載下的新型復(fù)合粘彈阻尼器表現(xiàn)出較強(qiáng)的耗能性能。

(2)通過(guò)變幅相關(guān)性試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)三角波加載下的新型復(fù)合粘彈性阻尼器材料硬化現(xiàn)象比正弦波加載下的提前了，三角波加載下新型復(fù)合粘彈阻尼器捏縮現(xiàn)象比正弦波加載下的明顯。

(3)在變幅試驗(yàn)中，2種加載方式下新型復(fù)合粘彈阻尼器的力學(xué)性能均隨著應(yīng)變幅值的增大而逐漸衰減且三角波加載下的力學(xué)性能優(yōu)于正弦波加載，但是其力學(xué)性能衰減趨勢(shì)大于正弦波加載，其等效阻尼比小于正弦波加載。